(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
層ごとにそれぞれ異なる波長域の光を検出する受光部を有する３つの層が積層された積層構造と、
マイクロレンズと、を備え、
前記積層構造の第１の層の受光部の配列に対して、他の１つ以上の層の受光部の配列が前記第１の層の受光部のピッチの１／２ずれて配置され、
前記マイクロレンズは、前記３つの層の受光部が前記積層構造の積層方向に重なる領域に、集光するように配置されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記マイクロレンズは、前記積層方向に直交する方向の長さが前記第１の層の受光部のピッチの１／２であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記積層構造の前記第１の層の受光部の配列に対して、他の１つ以上の層の受光部の配列が、前記積層構造の積層方向と直交する第１の方向のみ前記第１の層の受光部のピッチの１／２ずれて配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記積層構造の前記第１の層の受光部の配列に対して、他の１つ以上の層の受光部の配列が、前記積層構造の積層方向と直交する第１及び第２の方向に前記第１の層の受光部のピッチの１／２ずれて配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像素子。
【請求項５】
撮像光学系と、
前記撮像光学系を通った光を受光する請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の撮像素子と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子を用いたデジタルビデオカメラ等の撮像装置が普及している。一般的に使用されている撮像装置のカラー撮像素子には単板方式、多板方式のものがある。
【０００３】
単板方式では、カラーフィルタを用いて色分離を行う。赤（以下「Ｒ」という。）、緑（以下「Ｇ」という。）、青（以下「Ｂ」という。）に分離する原色フィルタやシアン、イエロー、マゼンダ、グリーンに分離する補色フィルタなどがよく使用される。この方式はカラーフィルタで光を吸収しているため、光の利用効率が悪くなるという欠点がある。
【０００４】
多板方式では、プリズムを使用して色分離を行う。Ｒ、Ｇ、Ｂの全ての光が使用されるため、光の利用効率は高い。しかしながら、高精度なプリズムや色分離膜を必要とするため、高度な位置合せ技術が必要となる。その結果、コストが高くなることや、装置が大きくなってしまうという問題が生じる。
【０００５】
近年、双方の問題点を解決する撮像素子が開発されてきている。多層積層型の撮像素子である。特定の波長域の光を検出する受光部を積層し、深さ方向で色の分離を行うものである。この撮像素子は同じ位置の光で色分離を行っているため単板方式のような補正による色ずれが生じない。また、カラーフィルタのように光を吸収しないので、光の利用効率が高い。また、色の分離を積層型の撮像素子で行うため、多板方式のように構造的に大きくなることはない。
【０００６】
特許文献１は、有機半導体の受光部とSi基板上の無機半導体感光層とを併用する方式を開示している。第１の受光部は有機半導体からなり、第２、第３の受光部はシリコン基板内に形成され、光の進入する深さによって色分離する構成となっている。第１の受光部では緑を受光することを特徴とし、緑の感度が向上すると共に、青と赤の色分離がよい。
【０００７】
特許文献２は、多層の電磁波吸収・光電変換部位と電荷転送・電荷読み取り部位とこれらを連結する電極間コンタクト部位からなる積層型撮像素子を開示している。この撮像素子は、画素サイズよりも、画素ユニットが有する電極の最外表面間の距離が短いことを特徴としている。これにより、画素密度が高くても、高感度及び高解像力を有し、シェーディングが発生しない撮像素子を実現している。
【特許文献１】特開２００３−３３２５５１号公報
【特許文献２】特開２００５−２６８６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１では、色分離の更なる改善が求められている。また、受光部と無機半導体感光層との併用による厚みが問題となっている。
【０００９】
また、近年の高画素のカメラの要求から、特許文献２の積層型撮像素子においても、更なる解像度の向上、同解像度でのＳ／Ｎの向上、感度の向上などが求められている。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、積層型撮像素子の解像度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の側面は、層ごとにそれぞれ異なる波長域の光を検出する受光部を有する３つの層が積層された積層構造と、マイクロレンズと、を備え、前記積層構造の第１の層の受光部の配列に対して、他の１つ以上の層の受光部の配列が前記第１の層の受光部のピッチの１／２ずれて配置され、前記マイクロレンズは、前記３つの層の受光部が前記積層構造の積層方向に重なる領域に、集光するように配置されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第２の側面は、撮像装置に係り、撮像光学系と、前記撮像光学系を通った光を受光する上記の撮像素子と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にすれば、積層型撮像素子の解像度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の好適な第１の実施形態に係る撮像装置の概略構成図である。撮像光学系としてのレンズ１０１及び絞り１０２を通った被写体像は、撮像素子１０３でＲ、Ｇ、Ｂにそれぞれ光電変換され、電気信号に変換される。ここで、レンズ１０１は取り外し可能に構成されてもよい。撮像素子１０３は、ＴＧ１０４から出力されたパルスにより駆動される。変換された電気信号は、ＡＦＥ１０５でＡＤ変換され、カメラ信号処理回路１０６に送られる。カメラ信号処理回路１０６で信号処理された信号は、例えば、半導体記憶装置で構成される静止画用記録媒体１０７に、静止画用の静止画データとして記録される。動画像データは、ビデオ信号処理回路１０８により信号処理された後、表示回路１０９を通り、ＬＣＤやビューファインダーなどの表示部１１０で表示される。また、動画撮影時には、半導体メモリや記録可能なＤＶＤディスク等の動画用記録媒体１１１に記録される。ＣＰＵ１１２は、撮像装置の各部を制御する制御手段として機能し、例えば、ユーザーの操作に応じて各種の動作を制御することができる。
【００１５】
図２は、本発明の好適な第１の実施形態に係る撮像素子における受光部の各層の画素配列を示した斜視図である。図３は、図２の上面図であり、本発明の好適な第１の実施形態に係る撮像素子の各色の出力の位置を概略的に示している。本実施形態係る撮像素子１０３は、異なる波長域の光を検出する複数の受光部を積層した積層構造を有する。具体的には、光源側から、第１の受光部をＧの波長域を検出する受光部（Ｇ層）２０１、第２の受光部をＢの波長域を検出する受光部（Ｂ層）２０２、第３の受光部をＲの波長域の光を検出する受光部（Ｒ層）２０３が積層されている。また、積層構造の第１の層の受光部の画素配列に対して、他の１つ以上の層の受光部の画素配列が一定量ずれて配置されている。具体的には、Ｇ層２０１の画素配列に対し、Ｂ層２０２及びＲ層２０３の画素配列は水平方向及び垂直方向に一定量ずれている。図２では、Ｇ層２０１の画素配列に対し、Ｂ層２０２及びＲ層２０３の画素配列が水平方向及び垂直方向に１／２ピッチそれぞれずれている。図２では、Ｇ層２０１の４画素に対するＲ層２０３とＢ層２０２の画素配置が示されている。各色の画素配置は、平面上では図３のように表される。各受光部を構成する材料としては、例えば、特許文献１に記載された有機半導体材料を用いることが好ましい。
【００１６】
図４は、本発明の好適な第１の実施形態に係る多層積層型撮像素子の断面図である。多層積層型撮像素子は、光電変換部と、電荷伝送部と、光電変換部及び電荷伝送部を接続するコンタクト部と、で構成されている。光電変換部は、透明電極膜４０１〜４０６、光電変換膜４０７〜４０９、透明絶縁膜４１０、４１１で構成されている。電荷伝送部は、電荷蓄積ダイオード４１２、電荷転送路４１３及び絶縁膜４１４で構成されている。電荷伝送部は、電極４１５で構成されている。
【００１７】
図４に示したように、光源側のＧ層２０１に対して、Ｒ層２０３及びＢ層２０２は画素の配置が１／２ピッチずらして積層されている。。以上のような構成で積層型撮像素子を利用することにより、Ｇの画素の間にＲの画素及びＢの画素が配置される位置関係で空間的にサンプリングされるため、これらの映像信号を混合して得られる輝度信号の解像度は同じ画素数であっても高くなる。
【００１８】
本実施形態では、Ｇ層に対して、Ｒ層及びＢ層の画素を水平方向及び垂直方向に１／２ピッチずらす例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、Ｒ層のみ、Ｂ層のみ、又はＲ層及びＲ層の両方をずらしてもよい。また、水平方向のみ又は垂直のみをずらしてもよい。また、ずらす量に関しても適宜変更することができる。
【００１９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態よりも更に感度を良くすることを目的としている。本実施形態の概略構成は、図１と同様である。
【００２０】
本実施形態では、感度を向上させるためにマイクロレンズを使用する。通常、マイクロレンズは、１画素に１つのマイクロレンズが配置される。しかしながら、本実施形態では、画素配置を層毎にずらしているため、マイクロレンズを例えばＧ層の中心に集光しようとすると、Ｂ層及びＲ層では、中心から外れた位置に集光されしまう。また、１画素と同じサイズのマイクロレンズを使用すると、１画素分の光を同じ位置に集光するため、画素をずらした効果が出ない。
【００２１】
そこで、本実施形態では、画素配列がずれている２つ以上の層において、両者の画素が重なり合う領域内に集光するようにマイクロレンズを配置する。すると、１画素の中にいくつかの集光ポイントが存在し、その積分値が１画素の出力となる。以下、第１の実施形態と同様に、Ｇの画素に対して、Ｒの画素及びＢの画素のを水平方向及び垂直方向に１／２ピッチずらした例を用いて説明する。
【００２２】
図５は、本発明の好適な第２の実施形態に係る多層積層型撮像素子の断面図である。図５は、図４で示した構成にマイクロレンズ５０１を加えたものである。図５に示したように、マイクロレンズ５０１の大きさは、画素ピッチの半分である。本実施形態では、水平方向及び垂直方向に画素をずらしているため、マイクロレンズ５０１の水平方向の長さは画素ピッチの１／２であり、マイクロレンズ５０１の垂直方向の長さも画素ピッチの１／２である。
【００２３】
図６は、本発明の好適な第２の実施形態に係る画素の配置と集光との関係を示す平面図である。図６では、Ｇ層６０１に対して、Ｒ層及びＢ層６０２を水平方向及び垂直方向に１／２ピッチずらして配置している。マイクロレンズ５０１で集光する光の区切りは点線６０３（ａ〜ｊ）で示されている。マイクロレンズ５０１により集光した結果、受光部に照射される位置６０４（１〜１６）は、図６に示すようになる。例えば、点線６０３のａ，ｂ，ｆ，ｇで囲まれた領域の光は、位置６０４の１に集光される。受光部に照射される光の面積は、Ｇ層６０１とＲ層及びＢ層６０２とが重なり合う領域よりも小さければよい。図６で示したように、Ｇ層６０１の画素６０５の入力は、ｂ、ｄ、ｇ、ｉで囲まれた領域であり、その出力は、集光ポイント６，７，１０，１１を積分した値となる。また、Ｒ層及びＢ層の画素６０６の入力は、ａ、ｃ、ｈ、ｊで囲まれた領域であり、その出力は、集光ポイント３，４，７，８を積分した値となる。
【００２４】
以上のような構成により、多層積層型撮像素子において画素ずらしを行った際にも、マイクロレンズを利用して、集光率を高め、感度を高めることができる。
【００２５】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、Ｒ層のみ、Ｂ層のみ、又はＲ層及びＢ層の両方をずらしてもよい。また、水平方向のみ又は垂直のみをずらしてもよい。また、ずらす量に関しても適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の好適な第１の実施形態に係る撮像装置の概略構成図である。
【図２】本発明の好適な第１の実施形態に係る撮像素子における受光部の各層の画素配列を示した斜視図である
【図３】図２の上面図であり、本発明の好適な第１の実施形態に係る撮像素子の各色の出力の位置を概略的に示した図である。
【図４】本発明の好適な第１の実施形態に係る多層積層型撮像素子の断面図である。
【図５】本発明の好適な第２の実施形態に係る多層積層型撮像素子の断面図である。
【図６】本発明の好適な第２の実施形態に係る画素の配置と集光との関係を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０５  撮像素子
２０１  Ｇ層（第１の層）
２０２  Ｒ層（他の１つ以上の層）
２０３  Ｂ層（他の１つ以上の層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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